专利名称：换向器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种换向器。这种换向器可用在诸如电动机或发电机之类的旋转机械中。
换向器是旋转机械的重要部件，包括带有与该机械的电枢绕组连接的导电件(通常为片)的转子。电刷从换向器表面通过。每当电枢绕组的一个线圈被电刷短路时，一个电刷使电流从正极流向负极，而另一个电刷使电流沿相反方向从负极流向正极。电流流动从线圈被电刷短路那一刻开始，并在短路断开时结束。这个过程在极短时间内完成，并不断重复，以实现整流。
在整流过程中短路线圈中的电流当整流开始和结束时变化率增大，并有可能在换向器一电刷之间出现火花。这种整流火花当电刷接触压降超过某特定电压时就会出现。当整流结束而电刷接触压降较低时整流火花较小，而当压降较高时就会造成电弧放电。如果出现电弧放电，会在电刷上形成高温部位，从而导致电刷上及由电刷造成的反常磨损，并且换向器会局部软化。这会产生大量炭粒并使空气电离，从而引起致击穿的危险。
此外，整流过程中出现的火花无论大小如何会造成电气噪声，这种噪声会引起无线电干扰，造成家用电视机和收音机噪声(电视上的鬼线或伴音干扰)以及计算机出错。
为了抑制噪声，曾提出在换向器相邻导电片之间接上电容，这些电容可抑制峰值电流，并从而抑制火花。就这些电容的配置已经提出了许多建议，包括JP-A-55-15949，JP-A-58-55630，JP-A-59-34056，JP-A-59-34057，JP-A-60-32548，JP-A-55-9197，JP-A-55-9198，JP-A-55-9199和JP-A-56-3905。在所有以上建议中，电容都是独立的部件。
还应提到，曾提出制作一种陶瓷材料换向器，其电容的交替的导电和绝缘片由不同陶瓷材料制成。一个这类例子是JP-A-63-252973，后面将予以更详细的讨论。为求完整，还要提到现已知许多不同陶瓷，具有不同的电气性质，其重要性后面再作讨论。
如上所述，以往有关在换向器导电片之间加上电容的建议都提出电容是独立的。根据本发明的第一方面，提出通过适当选择其介电常数、在换向器径向平面上的面积和在换向器圆周方向上的厚度，将绝缘片材料选择为能起到适宜的电容作用，因而，不再需要独立的电容，因为有插入的绝缘片材料而在相邻导电片之间形成了电容。由每个绝缘片而形成的电容就能抑制电流峰值。
绝缘片的介电常数最好大于10，而大于20更好。实际上采用如此介电常数的绝缘片就构成了本发明第二且独立的方面。
电容器的电容量正比于其介电常数而反比于其厚度。因此，初看起来，如果绝缘片厚度足够小，看来就有可能用介电常数较低的材料在绝缘片之间获得适当的电容量。但是，必须记住绝缘片也必须完成其在导电片之间提供绝缘的基本功能，而如果绝缘片过薄，其绝缘作用就会削弱，从而妨碍电容的工作。因此，实际上必须要有某个最小厚度，这个最小厚度取决于换向器所用在的机械的性质和工作条件。而且，并非总是希望绝缘片的电容量过高，因为这也会影响换向器的顺利操作，仅凭理论尚无获得合适电容值的简便方法，根据本发明的绝缘片介电常数、面积和厚度的具体值必须针对换向器的用途在具体情况的基础上确定。
换向器通过保持其外表面与电刷之间的机械和电气接触来进行整流。因而，换向器表面必须是平滑而无凸凹的，使得与电刷的滑动接触是稳定的。但是，换向器温度会因整流过程中滑动所致的磨耗和伴随整流过程的火花而上升，以致换向器会因受热或高速旋转产生的离心力而变形。因为尤其是在用模压换向器的情况下独立的整流元件通常是用树脂粘在一起的，并且会出现树脂或增强材料填充不平，致使换向器每个异电片的移位不等，使上述问题尤其严重。在相邻导电片之间就有可能出现台阶式的位差，使得换向器表面失去了所期望的平滑性。这种倾向当转速上升时变得更为明显，以致妨碍了电刷的可靠滑动接触并劣化了整流特性。结果，在电刷与换向器之间出现整流火花的机会急剧增加，以致换向器和电刷表面的消耗和磨损增大，从而降低了机械的工作寿命，并且有时会损坏换向器。
因此，如前所述，曾经提出采用陶瓷材料尤其是导电陶瓷和绝缘陶瓷来制作导电片和绝缘片。
陶瓷换向器可采用导电陶瓷和绝缘陶瓷通过反应烧结方法来制作。这种制作方法可制成采用不同电阻率陶瓷换向器，并且由烧结所致的尺寸变化很小。此外，通过调整加入原料的量，导电陶瓷和绝缘陶瓷的热膨胀系数可以匹配，使得有可能进行导电材料和绝缘材料的整体烧结。
然而，在JP-A-63-252973中，火花所致噪声未予考虑，因而选择制作绝缘片的材料时考虑的唯一性质是其绝缘性。因此，其电容未予考虑，并且在JP-A-63-252973中绝缘片的介电常数低于本发明所要求的。但是，由于有以上讨论的优点，根据本发明的换向器的导电和/或绝缘片最好用陶瓷材料制成。已知有许多不同的陶瓷材料，具有不同的介电常数，并且有可能为获得具有本发明所要求性质的绝缘片而选出这些材料的某种适当的混合物。具体而言，包括TiO2和BaTixOy在内的陶瓷材料就尤为适用。当然，许多其它材料可用于本发明。
通常，在换向器中，导电和绝缘片装在一中心支架上，后者通常包括一金属轴并且因而是导电的。导电片需要与该轴绝缘，并且在JP-A-63-252973中，用与绝缘片材料相同的绝缘材料包覆该轴。有可能将这个想法应用于本发明，但这被认为会导致一个问题。当换向器工作时，在中心轴与导电片之间会有一波动电压，该波动电压本身会带有高频波纹。因而这种高频波纹跨越出现在中心支架的绝缘部分。如果这种情况发生，并且该绝缘部分具有足够高的电容，则一交变电流会从其中通过，造成导电片对中心轴的短路。因此，希望中心支架的绝缘部分具有很小或没有电容作用，进而希望它是由不同于本发明第一和第二方面中导电片的材料制成的。实际上，采用另一种材料就是本发明的第三方面，这可以是独立的或者可与前两方面其中之一或两者同时结合运用。
绝缘片材料最好具有大于10的介电常数，至少20更好。绝缘片就可在导电片之间形成电容，以抑制电流峰值。因而，中心支架的绝缘材料可具有较小的介电常数，并且还具有较大的电阻率。
中心支架的绝缘材料还可以具有较高的介电常数，这会产生下面将邓以讨论的另一种作用。
本发明的进一步扩展利用了这样一种认识采用具有足以产生合适电容的介电常数的绝缘材料，可用于不具有必须由绝缘片来产生的电容作用的换向器中。
在提及本发明第三方面时已经提到过，中心支架可以是具有绝缘材料的。该第三方面是为了防止中心轴与导电片之间短路，但还可以看出，该绝缘材料使导电片互连。因此，如果该材料具有足够高的介电常数，它就可产生适当的电容效应。产生这种电容效应的材料可以是中心支架的一部分，在这种情况下，就有必要为该材料与轴之间提供进一步的绝缘，以防止短路，但这可以是使若干导电片互连的适当材料的任何件。采用互连件是本发明第四且独立的方面。
该件如前所述可以是导电片内侧的环，但还可是该多个导电片径向外侧的环或轴向的板。在每一种情况下，该件使导电片物理地互连，并且其介电常数足以在相邻电片之间形成电容，以抑制电流脉冲。
以上各方面可以有许多不同组合。例如，通过用具有高得足以形成电容的介电常数的材料作为中心支架的绝缘材料，并且用具有较低介电常数的材料制作绝缘片，可将第三和第四方面结合起来(因而绝缘片是与中心支架绝缘材料不同的材料制成的)。作为另一种替代作法，通过采用具有适当高的介电常数的绝缘片和一具有适当高介电常数的使导电片互连的件，可将第一、第二和第四方面结合起来。该件和绝缘片因而可以是同一种材料的。
为制作供本发明使用的导电陶瓷，可采用金属化Si(硅)粉和导电陶瓷粉;为制作绝缘陶瓷，可采用金属化Si粉和绝缘陶瓷粉或具有较大介电常数的陶瓷粉。当这些粉在氮气中加热时，Si与N2反应以生成Si3N4(氮化硅)，从而产生出Si3N4结合的导电/绝缘陶瓷烧结物。
陶瓷的电阻率可在10-5μm至1012μm的范围内选择，因而可获得适合换向器所有部件材料的适当的电阻率。烧结导电和绝缘材料时的尺寸变化率可小至0.3%，因为当一种烧结物形成时，Si与N2反应而生成可填充模腔(molding cavities)的Si3N4。Si3N4和添加料的热膨胀系数之间任意变化，以满足导电和绝缘材料整体烧结(“一起焙烧”)的条件。因而，即使导电材料与绝缘材料结为一体，通过使热膨胀系数相等，可以获得在烧结过程中没有开裂或龟裂危险的烧结物。
即使当换向器在工作过程中被加热，换向器表面也不会出现凸凹不平，使处于滑动接触的整流器表面保持平滑，从而确保良好的整流，因为导电材料的热膨胀系数与绝缘材料的一致。
Si3N4具有介电特性，并且通过加入作为添加料的具有更高介电常数的陶瓷粉，可以获得具有大电容量的电容器，以抑制如前面讨论的整流周期中火花的产生。
另一方面，为使导电体与绝缘体结为一体，陶瓷换向器可采用陶瓷基粘结剂，陶瓷粘结材料是主要成份为具有与所用导电体和绝缘体热膨胀系数相同的陶瓷的材料。用于粘结的粘结剂在300至500℃时被消除，这时，主要成份即陶瓷已硬化。耐热温度超过1000℃。可通过选择作为粘结剂主要成份的陶瓷材料的成份而使粘结剂和陶瓷的热膨胀系数相等。
根据本发明采用陶瓷作为导电片并采用具有绝缘特性的陶瓷电容作为绝缘片的换向器，即使在工作过程中加热也不会出现龟裂或开裂，因为所用材料的热膨胀系数可以是相同的。从而可以得到优良的换向器，可免维护并具有高可靠性和长工作寿命，而又能消除造成电气噪声的火花。
更进一步，通过制作可将同时具有电容效应和绝缘特性的绝缘片和装在换向器中的导电片结为一体的结构，从而使换向器具备导电片和绝缘片，可以取消用于放置电容器的独立的空间和连接电容的接线，因而换向器的布局不需要为提供必要的电容而作改变。当整流结束时在电刷和整流元件之间出现介电电压可以消除，从而可获得一种免维护、高可靠性、长工作寿命、无电气噪声的换向器。同时减小了换向器表面由工作时间、整流故障和不正常磨损所致的损耗。
本发明的各实施例将通过举例参照附图予以详细说明，其中
图1表示构成本发明第一实施例的换向器和电刷的示意图;
图2表示电流波形;
图3表示导电体和绝缘体同时烧结时的尺寸变化;
图4表示烧结导电和绝缘材料的电阻率;
图5表示烧结导电和绝缘材料的热膨胀;
图6表示根据本发明第二实施例带有绝缘材料中心环的换向器;
图7表示根据本发明第三实施例也带有绝缘材料中心环的换向器;
图8表示根据本发明第四实施例的换向器;
图9表示根据本发明第五实施例的换向器;
图10表示根据本发明第六实施例的换向器;
图11表示根据本发明第七实施例的换向器，其中中心绝缘环构成电容;
图12表示根据本发明第八实施例的换向器;
图13表示根据本发明第九实施例的换向器，其中外绝缘环构成电容;
图14表示根据本发明第十实施例的换向器;
图15表示根据本发明第十一实施例的换向器，其中绝缘材料板构成电容;
图16表示图15换向器的一种改型;
图17表示根据本发明第十二实施例的换向器;
图18表示根据本发明的换向器的一种改型;
图19表示根据本发明的换向器的另一种改型。
实施例1先参照图1，换向器交替装有的绝缘材料4和导电材料片5。在图1的结构中，电刷14沿换向器的外表面17移动，电线15在电刷14与换向器之间加上电压16。
如果绝缘片4和导电片5用普通材料制成，接触电压16会出现尖峰18，如图2中可见。
因此，本发明建议绝缘片4具有足以抑制峰18而形成与虚线19相应波形的介电常数ε、面积和厚度。采用适当介电常数ε、面积和厚度值可以在异电片5之间形成适当电容量的电容器，如下面将予以更详细说明的。
现在要说明用陶瓷来制造这种换向器。
为了制作导电材料，将平均直径1m的金属化Si粉和导电陶瓷粉(氮化物或碳化物)混合起来，而后占体积20%的诸如聚乙烯基蜡和硬脂酸之类的有机粘结剂作为成型粘结剂加入该混合粉之中。混合物用研磨机在150℃温度下研磨三小时。而后通过压实研磨物得到用于模压的粉料。同样，制作绝缘陶瓷可通过将平均直径1m的金属化Si粉和绝缘陶瓷粉(氧化物、介电材料)混合，然后加上述成型粘结剂研磨，通过压实研磨物最终可得到用作模压材料的粉料。在模具中填充这些粉料并在160℃温度和100MPa压强下压实，从而制成测试样品。含有成型粘结剂的混合粉料在加热时软化，使粉料填充率超过体积的65%。
所得模压件在氩气中以3℃/h的加热速率加热，直至500℃温度以致使成型粘结剂消失，而后在氮气中加热，逐步达到1，300℃而生成金属化氮化Si，从而获得靠Si3N4粘结的导电/绝缘陶瓷烧结件。作为上述原料的例子，下面概要说明通过向导电陶瓷添加TiN、ZrN向绝缘陶瓷粉添加Al2O3得到的烧结物的特性。
图3表示烧结过程中的尺寸变化率。当添加导电和绝缘陶瓷粉进行烧结时的尺寸变化率低于0.3%，并且远小于常规无压力烧结法中出现的变化率。当Si在氮气中加热时，会出现汽相反应而生成Si3N4，后者会填充脱蜡件中的空隙(当Si转变为Si3N4时，体积膨胀大约23%，填充脱蜡件中的空隙和孔洞)并与所添加的导电或绝缘陶瓷粉表面反应而形成烧结件。结果，可获得高密度、高强度、尺寸变化小的陶瓷。
图4表示烧结件的电阻。已添加了导电陶瓷粉的导电陶瓷其电阻随添加料增加而降低。添加有占体积70%的TiNak ZrN的这种烧结件的电阻具有10-5μm的量级，表明它适合作图1换向器的导电片。
已添加了绝缘陶瓷粉的烧结件的电阻大约为1012μm的量级，作为绝缘电阻这是个很大的值，因而它适合用作图1换向器绝缘片4的材料。
图5表示烧结件的热膨胀系数。烧结件的热膨胀系数几乎是一条连接着带有每种添加料的热膨胀系数的基体Si3N4的直线，并且导电体和绝缘体的热膨胀系数可以通过优选所用添加料的量来匹配。导电陶瓷和绝缘陶瓷的基体是Si3N4，并且导电体和绝缘体的Si3N4相互粘结，使得导电和绝缘材料可以同时烧结(“一起焙烧”)。结果，烧结过程就没有龟裂或开裂的危险，因为两者的热膨胀系数是相等的。由于这个原因，即使烧结换向器在工作中加热，在换向器表面不会造成凸凹不平。因此，可以保持优良的整流，因为绝缘和导电片4、5的热膨胀系数是相等的。
大多数陶瓷绝缘材料具有介电特性，高介电材料包括氧化钛、氧化铌和氧化钽材料。但是，这些材料通常不能直接用作换抽器绝缘片4材料。这是因为这些材料的制造方法和烧结方法不同，因而会由于烧结过程及同导电片一起焙烧时与绝缘材料的粘结中的收缩而出现问题。由于这个原因，将一种强介电材料按上述方法粉碎、与Si粉混合并烧结。这种烧结物基体是Si3N4，并且热膨胀系数可通过添加适量的介电物来调整，从而有可能确定介电物。尽管添加了介电物的材料具有与纯介电物相比较小的介电常数，它具有比其它绝缘材料更高的介电常数。
因此，通过用适当材料制作绝缘片4，这些片4可以充当导电片5之间的电容器。通过适当选择介电常数、面积(在换向器径向平面内，即垂直于图1纸面)和厚度(在圆周方向，即在图1纸面内)，电容器的电容量可选为具有一适当值。电容量C由下式给出C＝KεA其中K为常数ε为材料的介电常数A为面积D为厚度。
如曾提到过的，适合于电动机之类的特定装置的电容量C的具体值无法在理论上导出，而必须根据经验得出。在实践中，根据本发明，介电常数ε至少应为10，至少为20更好。由上面公式看来，还有可能通过减小由每个绝缘片4构成的电容器的厚度来增加电容量。但是，在实践中，如果厚度D降到某个取决于使用条件(包括加在换向器上的电压)的极限之下，它会丧失适当的绝缘作用，因而换向器将无法工作。而且，对于某些应用，过高的电容量C也会妨碍换向器工作，因而通常有一适当的电容量范围。
表1列出了这些因素，表示介电常数ε、面积A和厚度D不同值的作用。表1所列值是根据对装有陶瓷换向器的电钻所做测试得出的。换向器导电片用TiN、Si3N4制成，而绝缘片材料按表1所列进行改变。换向器装有布局如图4所示的片，并且换向器具有30mm的外径。电钻额定值为200V和1KW，噪声测量在1m处进行。
此外，如上所述，许多不同的绝缘陶瓷材料可以用来制作绝缘片4。通常，选用这些材料使它们具有高介电常数i。但是，如前面所述，有必要将这些材料与Si3N4基体混合，以实现与导电片5材料的适当粘结。适用的高介电常数材料如表2所列。
尽管电容器的基本结构中有夹在两导电板之间的介电物，换向器具有绝缘体夹在导电体之间的结构。采用含有Si3N4和介电物的混合陶瓷，可以获得装备有一组电容器的换向器。另一方面，每个电容器的电容量无法确定为一具体值，因为最佳电容量因旋转机械的性能指标而有所不同。有必要根据旋转机械的特性来确定吸收整流过程出现的电压特定电容量。
因此，采用上述材料和制造方法能够制成装备有电容器的陶瓷换向器。
实施例2在标准换向器中，导电体(铜质)和绝缘体(云母，树脂)交替设置在圆周上，绝缘环置于中心。因而换向器包括中心支架20上的导电体和绝缘体(见图1)。当烧结时的尺寸变化率小时通过匹配导电体和绝缘体的热膨胀系数，可以制成具有这种布局的陶瓷换向器。
为了将导电体和绝缘体一起焙烧，首先，将换向器各个部分4、5、6成型，而后，将各个部件置于与换向器最终形状相应的各个位置，并用模具在100MPa模压压强和160℃模压温度下压实。Si和Al2O3混合粉末模压件置于构成中心支架的绝缘环上，导电体(Si和氮化物或碳化物的混合粉料)和绝缘体(Si和氧化物或介电物的混合粉料)的混合粉料模压件交替置于圆周上。在这种情况下，如同上述的方法可用来减少和烧结制造换向器所需的模压件。由此得到的换向器因烧结所致的尺寸变化很小，在导电体和绝缘体之间没有龟裂和开裂。
实施例3图6所示的换向器具有与现有换向器几乎相同的形状，整体用陶瓷制成。该布局包括处于中心的绝缘环6(Si3N4和Al2O3陶瓷)形式的中心支架、并且导电片4(Si3N4和导电氮化物或导电碳化物复合陶瓷)和绝缘体(Si3N4和介电物混合陶瓷)沿该环圆周交替设置。在绝缘环6内部通常有金属轴21。因而绝缘环6和金属轴构成中心支架20。
上述陶瓷换向器布局包括夹在导电体中的Si3N4和介电物复合陶瓷，起电容器的作用，因而这是一种带有电容器的换向器。
在图4中，包覆着中心轴21的绝缘环6的材料最好不同于构成绝缘片4的材料。如前所述，其理由是防止在中心轴21(通常是导电的)和导电片5之间流过的电流。加在中心轴21和导电片5之间的交变电压会带有高频波纹，并且如果绝缘环6材料在中心轴21和导电片5之间形成电容器，这些波纹会造成一股电流。因此，构成绝缘环6的材料的介电常数E应当较小，最好为10或更小。还希望构成绝缘环6的材料的电阻率大于构成绝缘片4的材料的电阻率。
实施例4根据本发明换向器电容的最佳电容量因旋转机械的性能指标而不同。由于导电体和绝缘体是以换向器片沿换向器圆周方向设置的，换向器形状由换向器直径向导电体电阻决定，结果，难以确定取决于绝缘片4形状的电容器的适当电容量。如果电容器的电容量由绝缘片形状决定，每个导电片体积减小，以致图4所示导电材料的电阻不能允许所需电流流过，从而降低了性能。因而，为了根据换向器功能调整电容器的电容量，通过考虑换向器片的长度和片的位置来设计电容器。允许对电容器电容量进行选择的换向器形状如下所示。
图7所示的整流器中，绝缘环6(Si3N4和Al2O复合陶瓷)置于中心处，导电片(Si3N4和导电氮化物或导电碳化物复合陶瓷)沿绝缘环6的圆周设置。Si3N4和介电物复合陶瓷设置在相邻导电片之间，具有比导电片短的长度(沿径向方向)，而绝缘陶瓷复合材料(Si3N4和Al2O3复合陶瓷)片7设置在介电物外侧导电片5之间。结果，绝缘片4不延伸到换向器外侧周边，而将它们的径向长度考虑进它们的介电常数E和在圆周方向的厚度而确定得使它们具有为获得所需电容量C而选定的面积A，绝缘陶瓷7具有比绝缘片4低的介电常数E，使之不起电容作用。
通过调整由绝缘片4限定的Si3N4和介电物混合陶瓷片7的长度，可以确定电容器的电容量使之适合对应于旋转机械的换向器形状。
在图8中，绝缘环6(Si3N4和Al2O3复合陶瓷)置于中心处，导电片5(Si3N4和导电氮化物或导电碳化物复合陶瓷)设置在圆周上，绝缘陶瓷片7(Si3N4和Al2O3复合陶瓷)夹在相邻导电片5之间并且具有比导电片5短的长度，而Si3N4和介电物混合陶瓷设在其余部分以构成绝缘片4。
在图8的实施例中，片7最好与绝缘环6材料相同。因而，这个实施例可以认为是与中心环具有较大直径的实施例等效的(即片7被认为是中心环的一部分)，导电片5就可延伸进中心环6。
通过调整在换向器圆周上由绝缘片4限定的Si3N4和介电物混合片7的长度，可以确定电容器的电容量使之适合对应于旋转机械的换向器形状。
图9表示将图7和图8相结合的换向器，Si3N4和介电物复合陶瓷设置在中心绝缘环6圆周和换向器周边上。因而，在该实施例中，绝缘片4不是从绝缘环6到换向器圆周连续的，而是被较低介电常数E的绝缘陶瓷片7截断。
通过调整设在中心附近和换向器圆周上的Si3N4和介电物复合陶瓷片4的长度，可以确定电容器的电容量使之适合对应于旋转机械的换向器形状。
图10表示另一个实施例，其中介电材料绝缘片4的轴向长度并不对应于导电片5的轴向长度。相反，高介电常数ε(ε大于10)的介电材料绝缘片4的材料仅存在于导电片5之间间隙的轴向端部，并且中心区域包括低介电常数E的绝缘陶瓷片7(复合陶瓷，如前面讨论的那些材料)。
这个替代方案也可以使由适当介电材料绝缘片4构成的电容器的电容量数据换向器所用在的旋转机械来选定。在图10的实施例中，介电材料绝缘片4也限于径向方向，因而绝缘陶瓷片7延伸至邻近绝缘环6的换向器轴向端部。
实施例5在图11所示的实施例中，Si3N4和介电物复合陶瓷片8包覆着绝缘中心环6(Si3N4和Al2O3复合陶瓷)的圆周，而且导电片5(Si3N4和导电氮化物或导电碳化物复合陶瓷)和绝缘片7(Si3N4和Al2O3复合陶瓷)沿中心环6圆周交替设置。
因此，图11实施例并不用导电片之间的适当介电常数的绝缘片来构成用以抑制电流脉冲的电容器。相反，适当介电常数E(如E大于10，最好大于20)的绝缘材料构成导电片5内侧轴向的环8。因此，该环8在每对导电片之间构成一个电容器，后者可起到类似前面所述实施例中电容的作用。
对于图11的实施例，确定Si3N4和介电物复合陶瓷环8的径向厚度，即可获得足以抑制在换向器所在的特定旋转机械中电流脉冲的导电处5之间的电容量。
在图11中，绝缘片7具有比环8低的介电常数E(如E为10或更小)。当然，如图12所示，通过将介电常数适当的绝缘片4(用可起到适当介电作用的复合陶瓷制成)设置在类似材料的环8的外围周边，有可能将图11和前面的实施例结合起来，图12的实施例既可直接由绝缘片4在导电片5之间也可由环8在导电片径向内侧获得电容效应。
绝缘片4和环8的尺寸选择也是为了根据换向器所用的电气机器来为导电片5之间的电容器选定适当的电容量。
实施例6图13表示本发明另一个实施例，除了介电常数ε适当高的绝缘材料采取处于导电片5外侧的一个或多个环9的形式之外，与图11的实施例类似。在该实施例中，如图所示，两个这种环9设置在换向器轴向端部，但环9也有可能跨过换向器的整个轴和长度。
因此，在该实施例中，导电片5被材料与中心环6相同的绝缘片7分隔开，并且片7和中心环的介电常数ε不必大得足以起到电容效应。相反，这种电容效应是由介电常数适当高的环9在导电片5之间产生的。该材料的介电常数ε至少为10，最好为20或更高。
在图13的实施例中，用以构成各种片和环9的材料可以与前面的实施例相同。而且，选定环9的尺寸可以为构成的电容器给定适当的电容量。在图14的实施例中，改变了在换向器轴向端部使用环，使得这些环包括导电材料片5和介电常数ε适当高的绝缘材料片4。因而，图14的实施例可以认为是与图10的实施例等效的，但片7未延伸至换向器周边。还可以认为，该实施例中有一个或多个环，每个环包括交替设置在由中心环6、绝缘片7和导电处5构成的中心支架上的若干导电片5和若干绝缘4。绝缘片4的尺寸也选择得能够获得适当的电容量，并且可采用如前所述的类似材料。
实施例7图15所示实施例通过将介电常数ε适当高的绝缘材料板置于换向器轴向端部而对图13实施例作了改动。这些板可以是环10状的，使得中心绝缘环6延伸至换向器轴向端部。交替的导电和绝缘片5、7位于环状板10之间。在该实施例中，导电片5之间的适当电容器是由环状板10在换和器轴向端部设置的而不是象在图4实施例中那样直接在导电片5之间或在图11和13实施例中那样在其轴向内侧或外侧形成的。
环状板10的尺寸可根据换向器的用途选定，并且可采用如前所述的类似材料。
图16表示对图15实施例的改动，其中中心环6延伸进连接换向器一端部的轴向板11内，从而覆盖环状板10的轴向端部。也可以采用类似的材料。
实施例8图15是换向器的形状，其中设在导电片5之间的绝缘片4制作得使换向器外表面带有槽22，即绝缘片4未延伸到外表面。当换向器转动时，一旦来自碳刷的碳粒粘附在绝缘片4上，碳粉会使换向器电气短路。因而，图15的实施例可避免这一点。
但是，当导电片5之间的绝缘片4(Si3N4和介电物复合陶瓷的)未延伸至整流器外表面时，邻近槽22的导电片端面具有一锐角，使得碳刷接触该边缘时会严重磨损。因而导电片5端面可倒棱或磨圆。
这种在换向器外表面开槽的想法可用于其它实施例。
根据上面讨论的实施例，换向器可以用粉浆浇注方法、橡胶压制方法、CIP(冷等静压)方法、HIP(热等静压)方法及挤压成型方法代替上面详述的模压方法来制造。
实施例9上面讨论的一起焙烧的整流器的绝缘片可用含有添加的介电粉的绝缘体制成。在这种情况下，介电常数低于介电物本身的介电常数。由于这个原因，可制成其中具有较大介电常数的这种换向器。首先，通过烧结制成具有高介电常数的片，并且用实施例2的方法制成用作导电体的模压件，而后将烧结的绝缘体和模压的导电体置于模具中，根据实施例2的方法通过模压制成换向器。具有高介电常数的片由于是烧结的即使加压也不会变形。因而将导电材料做得比具有高介电常数的片长一些，以致加压时只有导电片会变形。
尽管导电片在模压过程中会受热软化并结成一体，但它们并不容易与绝缘片结合，以致当换向器高速旋转时有破碎的危险。因而，具有高介电常数的片12可以加上如图18(a)至18(d)所示的凸起和或凹陷，以实现与导电片5的结合。图18(a)和(b)表示用凹陷来结合，图18(c)和(d)表示用凸起来结合。图16(a)至(d)也表示将绝缘片12与中心环6结合的替代方法。图18(a)的方案用凹陷、图18(c)用凸起、图18(b)和(d)用绝缘片12端部的“T”形部份做到了这一点。
因此，如果导电片5当受热软化时加压，导电材料会插入具有高介电常数的绝缘片12的凸起/凹陷部分，从而实现结合，以制成整体性的换向器。因为导电片5、12的热膨胀系数可以与绝缘体匹配，即使加热也不会在接合处出现开裂或龟裂。结果，即使结合力较弱，也不会有在高速转动中换向器破碎的危险。尽管具有高介电常数的绝缘片12与导电片5之间的热膨胀差会造成问题，但当将BaO、TiO2用作绝缘片12时，热膨胀系数大约为6×10-6/℃，这可以用图3所述导电体的热膨胀系数来匹配，因而没有什么问题。
实施例10除了按上述做法制成的换向器之外，有可能用粘接剂将导电片与绝缘片结为一体而制成另一种陶瓷换向器。绝缘片从而具有适当高的介电常数，以构成电容器。这种方法的特点是，如果电容器是绝缘片，电容器的特性不会变坏，因为不需要加热，从而能够制造这种导电体与电容器结成一体的换向器。
在将陶瓷相互粘结时，使用陶瓷基粘结(例如氧化铝基、氧化锆基、金属陶瓷基、氧化硅基或混合物)，这种粘结剂中的成形是磷酸盐基的，当加热到300至500℃有机物消失时会硬化，粘结之后的耐热温度在1000℃以上，超过换向器的耐热温度。因为粘结剂的主要成份是陶瓷，耐磨性没有问题。另一方面，因为主要成份是陶瓷，陶瓷粘结剂的热膨胀系数可以和陶瓷材料的热膨胀系数匹配，以致当导电体与绝缘体粘结时，因为没有热膨胀差，不会出现龟裂或裂。制造方法首先要要求将导电片和电容片做成特定形状并涂上粘结剂，而后装入盒中通过加压加热粘结在一起。换向器电容的特性不会比结为一体之前有所改变，因为加热温度较低，结果，可制成具有所需电容器电容量的换向器。
实施例10的以上说明假定用陶瓷作为通过粘结制成的换向器的导电体。但是，也可以用金属或金属混合陶瓷作为导电体，因为粘结温度较低。金属或金属混合陶瓷的热膨胀系数需要与构成电容器的绝缘材料匹配，并且作为用这种用途的金属或金属混合陶瓷，需要选用具有低电阻和热膨胀系数的金属、合金或金属混合陶瓷。
此外，可采用纸质、有机薄膜和陶瓷电容器。
电容器的电容量可以按与图6至17所示类似的方式确定。
实施例11在该实施例中，每个电容器的基本结构包括面对面的两块导电板，其间有一介电物。换向器的结构包括将一绝缘体夹在导电体之间，通过将Si3N4和介电物混合陶瓷用作绝缘体夹得到电容器。或者用另一种方法，将导电体13作为具有电特性的绝缘片4和导电片5之间的电极，如图19所示。绝缘4也不必是陶瓷的，可以用纸或有机薄膜。
实施例12图6至17所示整流器是圆柱形的，并通过将电刷紧贴在径向外表面来对电流进行整流。但是，也有可能将电刷紧贴在轴向表面上。在图6至17所示换和器中，部件4至8和12形状不作改动即可使用，在图11和12中，电刷需要避免与设在中心附近的Si3N4陶瓷环6及介电物环8接触。在图13所示换向器中，电刷需要避免换向器圆周上的SiM4和介电物陶瓷环9。在图15和15所示换向器中，Si3N4和介电物陶瓷环状板10或板11必须仅处于换向器的一个轴向端部上，使得电刷可以与另一个轴向端部接触。
实施例13在导电片之间加上3nF电容器制成的换向器与普通换向器作了比较。在普通换向器中，随着时间推移，30MHz附近的电气噪声至少上升20dB以上。当观察受试换向器表面时，出现火花的部分粗糙，并且换向器表面粗糙导致噪声的产生。相反，根据本发明加有电容器的换向器产生较低噪声，随着时间推移不会有变化并且是稳定的。此外，可以证实当根据本发明加有电容器的换向器起动时电视和收音机不会受噪声影响。当以对普通换向器相同的方式观察这种换向器表面时，可以证实表面上不会出现粗糙，并且很少出现火花。
实施例14通过将电感加入根据本发明加有电容器的换向器之中，以在3000rpm转速和20A/cm2电刷电流密度下产生火花，可以同普通换向器作比较。结果，尽管普通换向器产生的火花为7或8级，根据本发明加有电容器的换向器产生的火花低于一半，从而表明电容器的作用是较大的。
术语“级”是由日本电气技术委员会标准规定的。
如果按照图1所示方法观察电压波形，根据本发明加有电容器的换向器只有很小的电压变化，因为它已被电容器吸收了，尽管没有这种电容器的换向器的波形如图2所示急刷上升，造成强烈的火花。
人为产生火花的陶瓷换向器表面仍不粗糙，从而整流过程不受破坏，并且换向器表面无显著磨损。尽管出现火花的导电陶瓷表面会失色变黑，当测定试验前后陶瓷换向器表面的粗糙度时，不存在显著的差别，并且未发现损坏。当仔细观察失色变黑部分时，发现它相当于粘附的电刷碳。进而发现这些粘附的碳改善了电刷的滑动，消除了碳刷的磨损，从而因更质陶瓷与碳结合防止了碳刷磨损。这种试验条件是严酷的，在正常的电压和电流下进行整流会产生更好的结果。
因为电容器是由根据本发明的换向器绝缘片构成的，这制止了火花的产生并降低了导致无线电干扰的电气噪声，换向器表面的粗糙度可以降低或消除，延长了工作寿命。
将陶瓷用作整个换向器材料确保了耐热性、耐磨性和重量轻。陶瓷是不可燃(高燃点)材料，并且与普通导电片(铜质)相比不可能被电弧熔化，产生更低的表面粗糙度。当陶瓷相对石墨电刷滑动时，尽管由于陶瓷是硬质材料并且高度耐磨而可以预见到石墨电刷的磨损，却发现石墨会粘附在换向器表面上，从而改善电刷的滑动并减小电刷的磨损。陶瓷本身的密度大约为普通材料铜的1/3。因而如果用铜作为旋转机械的材料，当高速转动之后机械的转动停止，会有惯性作用，因为换向器本身较重。在这种情况下，与转子连接的接线会扭转，造成换向器支架断开或脱落的危险。但是，如本发明所建议的用陶瓷做的换向器重量轻，可消除或减少这种危险。另一方面，将陶瓷导电体与陶瓷电容器结成一体，可以提供一种可廉价生产出的结构紧凑的换向器，而无需再增加电容器安装位置和联结工序。
权利要求
1.一种换向器，其中包括一中心支架；若干导电片；以及若干绝缘片，所述若干导电片和所述若干绝缘片围绕所述支架交替设置；其中对于所述若干绝缘片每个而言，其介电常数、在所述支架径向平面内的面积和沿所述支架圆周的厚度大得足以抑制所述换向器工作过程的电流峰值。
2.权利要求1所述换向器，其中所述若干绝缘片每个的所述介电常数大于10。
3.权利要求2所述换向器，其中所述介电常数至少为20。
4.权利要求1所述换向器，其中所述导电片是第一种陶瓷材料的。
5.权利要求1所述换向器，其中所述绝缘片是第二种陶瓷材料的。
6.权利要求1所述换和器，其中所述若干绝缘片每个都包含TiO2。
7.权利要求1所述换向器，其中所述若干绝缘片每个都包含BaTixPy。
8.权利要求1所述换向器，其中所述中心支架包含不同于所述绝缘片材料和所述导电片材料的绝缘材料。
9.权利要求1所述换向器，其中所述绝缘片具有至少3×105的电阻率。
10.权利要求1所述换向器，其中所述导电片具有不大于3×10-4m的电阻率。
11.一种换向器，其中包括一中心支架;若干导电处;以及若干绝缘片，所述若干导电片和所述若干绝缘片围绕所述支架交替设置;其中所述若干绝缘片每个的介电常数大于10。
12.权利要求9所述换向器，其中所述介电常数至少为20。
13.权利要求1所述的向器，其中所述中心支架包含不同于所述绝缘片材料和所述导电片材料的绝缘材料。
14.一种换向器，其中包括一中心支架;若干导电片;以及若干绝缘片，并与所述若干绝缘片围绕所述支架交替设置;其中所述若干绝缘片每个是含有TiO2的陶瓷材料的。
15.一种换向器，其中包括一中心支架;若干导电片;以及若干绝缘片，所述若干导电片和所述若干绝缘片围绕所述支架交替设置;其中所述若干绝缘片每个是含有BaTixPy的陶瓷材料的。
16.一种换向器，其中包括一中心支架;若干导电片;以及若干绝缘片;所述若干导电片和所述若干绝缘片围绕所述支架交替设置;其中所述中心支架包含不同于所述绝缘片材料和所述导电片材料的绝缘材料。
17.权利要求16所述换向器，其中所述中心支架的所述绝缘材料具有比所述绝缘片材料介电常数小的介电常数。
18.权利要求17所述换向器，其中所述绝缘片材料的所述介电常数大于10。
19.权利要求16所述换向器，其中所述中心支架的所述绝缘材料具有比所述绝缘片材料的介电常数大的介电常数。
20.权利要求16所述换向器，其中所述中心支架的所述绝缘材料具有比所述绝缘片材料的电阻率大的电阻率。
21.权利要求16所述换向器，其中所述中心支架有一导电材料的中心轴，并且所述绝缘材料包覆着所述中心轴。
22.权利要求21所述换向器，其中所述导电片延伸进所述中心支架的所述绝缘材料之中。
23.权利要求16所述换向器，其中所述中心支架带有一材料与所述绝缘片的所述材料桢的环状区域，并且所述绝缘材料在所述环状区域之内。
24.一种换向器，其中包括一中心支架;若干导电处;以及若干绝缘片，所述若干导电片和所述若干绝缘片围绕所述支架交替设置;并且至少一另一种绝缘材料件使所述若干导电片互联，所述另一种绝缘材料具有比所述若干绝缘片材料的介电常数大的介电常数。
25.权利要求24所述换向器，其中所述至少一个件是围绕所述若干导电片的至少一环。
26.权利要求25所述换向器，其中所述至少一环在所述若干导电片的径向外侧。
27.权利要求26所述换向器，其中所述至少一环在所述若干导电片的径向内侧。
28.权利要求26所述换向器，其中所述至少一环在所述若干导电片的轴向。
29.权利要求24所述换向器，其中所述另一种绝缘材料具有大于10的介电常数。
30.权利要求28所述换向器，其中所述介电常数至少为20。
31.权利要求24至30中任何一条所述换向器，其中所述件是陶瓷材料的。
全文摘要
换向器有一中心支架，装有用若干绝缘片隔开的若干导电片。绝缘片不仅有绝缘作用，而且其介电常数及面积和厚度选择得使之能起到电容作用，用以抑制工作过程中的电流峰值，该介电常数最好大于10。中心支架包括一金属轴和一绝缘环，后者最好用介电常数较低的材料制成，借此抑制轴与导电片之间短路。尤其可用陶瓷材料制作导电片及绝缘片，这样可以获得良好的耐磨性能。此外，导电片还可以用适当高介电常数绝缘材料制作的环等隔开以构成电容。
文档编号H01R39/46GK1064972SQ9210178
公开日1992年9月30日 申请日期1992年3月17日 优先权日1991年3月18日
发明者千葉秋雄, 祖父江昌久, 田原和雄, 山下信行, 铃木俊 申请人:株式会社日立制作所